3.2 Электрокинетические явления

Электрокинетические явления – это движение дисперсной фазы и дисперсионной среды под воздействием внешнего электрического поля или возникновения разности потенциалов при движении дисперсной фазы и дисперсионной среды.

К такому виду явлений относится электроосмос  это вызванное внешним электрическим полем движение дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы и электрофорез  движение частиц дисперсной фазы относительно дисперсионной среды, также вызванное внешним электрическим полем.

К электрокинетическим явлениям относятся также явления, противоположные электроосмосу и электрофорезу. При протекании жидкости через капиллярно-пористую перегородку возникает разность потенциалов на электродах, расположенных на концах пористой перегородки (потенциал протекания). Между электродами, расположенными на разной высоте, также возникает разность потенциалов, если в сосуде происходит оседание частиц дисперсной фазы (потенциал седиментации).

Электроосмос

Напомним о явлении осмоса (др.-греч  толчок, давление). В общем случае осмос – односторонний перенос растворителя из раствора с меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией растворенного вещества через полупроницаемую перегородку, разделяющую растворы. Известны полупроницаемые перегородки (мембраны), пропускающие только растворитель и другие – пропускающие только растворенное вещество. Различные биологические мембраны проницаемы не только для частиц растворителя, но избирательно пропускают некоторые ионы и молекулы растворенных веществ. В данном разделе рассматриваются осмотические явления с участием мембран, пропускающих растворитель.

На рис. 23 представлен термодинамически разрешенный (самопроизвольный) процесс выравнивания концентраций в результате перехода растворителя из менее концентрированного в более концентрированный раствор через мембрану. В результате осмоса объем раствора в коленах U-образного сосуда изменяется. Создается препятствующее осмосу гидростатическое давление (осмотическое давление ) столба жидкости h, в итоге наступает осмотическое равновесие.

исходное состояние конечное (равновесное) состояние системы

Рис. 23. Схема прибора, демонстрирующего явление осмоса.

Если в одном колене находится раствор соли, а в другом – чистая вода, то высота столба жидкости и, соответственно, осмотическое давление тем больше, чем больше концентрация соли в воде:

 = сRT.

Электроосмос не является самопроизвольным процессом. Требуется затратить некоторое количество электрической энергии на перемещение растворителя из одного колена в другое через мембрану, функцию которой может выполнять, например, кварцевый песок (рис. 24).

Рис. 24. Явление электроосмоса в U-образной трубке, заполненной кварцевым песком и водой: а) уровни воды в обоих коленах одинаковые, система находится в состоянии равновесия; б) при наложении электрического поля наблюдается перемещение жидкости, происходящее до тех пор, пока не будет достигнуто давление, препятствующее дальнейшему изменению уровней

Под воздействием постоянного электрического поля наблюдается изменение уровней жидкости в коленах U-образной трубки, содержащей кварцевый песок.

В результате реакции:

SiO₂ + 2H₂O  H₂SiO₃ + H₂O  H₃O⁺ + HSiO₃^

частицы дисперсной фазы (кварцевого песка) представляют собой мицеллы.

Мицелла

[SiO₂]_mnHSiO₃^ |(n  у) H₃O⁺ | уH₃O⁺.

ядро двойной электрический слой диффузный слой

Окруженные двойным электрическим слоем частицы кварца создают условия, когда при действии внешнего электрического поля гидратированные ионы диффузной части (Н₃О⁺) мицеллы перемещаются к отрицательному электроду, повышая уровень жидкости в левой части U-образного колена (рис. 24).

На рис. 25 показана модель движения гидратированных ионов диффузного слоя внутри капилляра из кварцевого песка в результате действия электроосмоса. Положительно заряженные противоионы Н₃О⁺ движутся в направлении отрицательно заряженного электрода источника тока.

Рис. 25. Модель электроосмоса – модель движения гидратированных ионов диффузного слоя внутри капилляра из кварцевого песка

Электроосмос используется при обезвоживании капиллярно-пористых тел, сыпучих материалов, сахарных сиропов, при очистке воды и осушке стен зданий.

Известно, что при нарушении гидроизоляции стен подвальных помещений они сыреют от почвенной влаги, проникающей в стены по капиллярам. В этом случае для осушки стен используют электроосмос. В верхнюю часть стены подвального помещения вблизи потолка устанавливают один электрод, а другой помещают в грунт через отверстие в полу. Знаки электродов устанавливают так, чтобы влага в составе гидратированных ионов диффузного слоя уходила по капиллярам из стены в почву.

Стены старых зданий необходимо не только сушить. Для поддержания их в сухом состоянии приходится постоянно поддерживать разность потенциалов, препятствующую увлажнению стен капиллярной водой в течение всего времени дальнейшей эксплуатации здания.

Электрофорез

Явление электрофореза, вызванное внешним электрическим полем, наблюдается, когда частицы дисперсной фазы могут свободно перемещаться в дисперсионной среде. Для изучения электрофореза используют высокодисперсные системы – золи.

Явление электрофореза  подобно электролизу, с тем отличием, что в дисперсионной среде в движении участвуют не только ионы, но и заряженные частицы дисперсной фазы.

Прибор, с помощью которого можно наблюдать электрофорез, представлен на рис. 26.

С помощью кранов колена U-образной трубки соединены с золем той же электропроводности, что и электролит. Золь подают снизу через воронку при открытых кранах. После заполнения золем колен U-образной трубки кран у воронки закрывают и замыкают электрическую цепь. Наблюдают перемещение золя к тому электроду, который имеет знак, противоположный заряду частиц дисперсной фазы.

Электрофорез широко применяется в исследовании биологических систем и в медицине (физиотерапия). С помощью электрофореза проводят разделение природных белков различной структуры, определяют степень чистоты антибиотиков и витаминов. Примером технического применения электрофореза может служить окраска кузовов автомобилей в электрическом поле высокого напряжения.

Рис. 26. Схема прибора для электрофореза: а) исходное состояние системы; при открытых кранах снизу через воронку заливают золь в колена U-образной трубки, содержащие раствор электролита; б) при закрытом кране у воронки включают источник постоянного тока и наблюдают явление электрофореза по изменению уровней золя в коленах.

Потенциалы течения и седиментации

Возникновение потенциалов течения обнаружено при движении воды через разнообразные неподвижные дисперсные фазы – пористые тела, такие, как глина, песок и др. (рис. 27). При пропускании потока воды (под давлением) через пористую перегородку поток увлекает за собой ионы диффузного слоя. На концах капилляров дисперсной фазы возникает разность потенциалов, которая вызывает встречный поток ионов противоположного знака. Состояние равновесия достигается, когда скорость движения потока воды и скорость движения противоположно заряженных ионов станут равными. Разность потенциалов V в равновесном состоянии соответствует потенциалу течения. Потенциал течения – это скачок разности потенциалов на электродах, расположенных на концах капиллярно-пористой перегородки, возникающий при протекании через нее жидкости.

+

Рис. 27. Схема прибора для определения потенциала течения

Скачок потенциала седиментации наблюдается, когда заряженные частицы дисперсной (твердой) фазы осаждаются (рис. 28).

Рис. 28. Схема прибора, демонстрирующая возникновение потенциала седиментации

Гидратированные ионы диффузного слоя мицелл отделяются от осаждающихся заряженных частиц. Вследствие этого на электродах, расположенных на разной высоте, возникает разность потенциалов V. Потенциал седиментации – скачок разности потенциалов, возникающий на электродах, расположенных на разной высоте, если в сосуде происходит оседание частиц дисперсной фазы.

Потенциалы течения и седиментации могут возникать на концах трубопроводов, перекачивающих суспензии, топливо и т.д.

Заметим, что наша планета – гигантская «дисперсная система», в которой твердая поверхность Земли, имеющая отрицательный заряд, находится в окружающей воздушной среде. Облака действуют как электрические генераторы, в которых происходит непрерывное разделение зарядов на каплях воды, кристаллах льда, снежинках, частичках пыли в результате движения, трения. Источниками атмосферной электризации являются также пылевые бури, извержения вулканов, снежные метели, перемещения капелек воды в облаках, туманах, пене прибоев и водопадов. Это постоянные источники электризации атмосферы. Появление разности потенциалов между атмосферой и Землей приводит к возникновению искровых разрядов (молний), генерируемых облаками.